常见散热器优化设计思路

shuizhonghua

摘要：当优化散热器的热传导时，主要目标是减小热传导路径中的扩散热阻，以提高热量的传递效率。散热器的设计需要考虑热量传递的三种基本方式，分别为热传导、对流换热、辐射换热。常规的散热器设计当中基于这三种基本方式去考量，本文将会从这三个方向出发分别介绍其原理所在。
1、热传导
在散热器中，热量从电子元器件内部传导到散热器表面，以及在散热器内部的传导都属于热传导。热传导公式Q = k * A * （ΔT/Δx）其中，Q表示传热速率，k表示导热系数，ΔT表示温度差，Δx表示传热距离。


来源：网络
增大导热截面积（A）：导热截面积是热传导中的一个重要参数，它与热传导速率成正比。通过增大散热器的有效导热截面积，可以增加热量的传递面积，从而降低扩散热阻。这可以通过增加散热器的表面积或增加散热片的数量和密度来实现。
使用高导热性能的材料（k）：导热系数（k）是热传导中衡量材料导热性能的参数。选择具有高导热系数的材料可以提高散热器的热传导效率，从而减小扩散热阻。常见的散热器材料如铝合金和铜合金具有较高的导热性能，因此在设计散热器时常常使用这些材料。


导热系数常见机加工材料

使用导热填充物或导热界面材料：比如热管和均温板，在散热器与电子元器件之间，使用导热填充物或导热界面材料可以填补接触界面的微小间隙，提高热量的传递效率。这些材料具有较高的导热性能，能够有效地减小热传导界面的热阻。


均温板的效果仿真示意图：无均温板（左）底部镶嵌均温板（右）

2、对流换热
元器件的热量通过热传导从元器件传递到散热器上，散热器需要通过对流和辐射来将热量从散热器传递到周围环境中，以实现热量的散失。对流换热是一种常见的热传递方式，它通过流体的对流运动来实现热量的传递。
对流换热通常可以分为自然对流和强制对流两种形式。自然对流换热：自然对流是指由于密度差异引起的流体自发运动而实现的换热过程。当一个物体受热后，周围的流体会发生密度变化，形成由热量驱动的对流循环。自然对流换热的特点是流动速度较低，换热系数相对较小。
强制对流换热：强制对流是通过外部力的作用使流体产生对流运动，以实现换热过程。在强制对流中，流体的运动速度较高，对流换热效率较高。常见的强制对流换热方式包括风冷散热和液冷散热。


强制对流:散热器周围的流线和温度剖面图
在对流换热中，换热系数（h）是一个重要的参数，它表示单位面积上的热量传递率。换热系数受到多个因素的影响，包括流体性质、流速、流体与固体界面的热传导阻力等。
对流换热的基本公式是牛顿冷却定律，它描述了对流换热的关系：Q = h * A * ΔT
其中，Q表示传热速率，h表示换热系数，A表示换热面积，ΔT表示表面温度与流体温度间的温度差。
在设计散热器时，增大散热面积确实可以提高散热效率，但同时也会增加系统的风阻。这是因为增加翅片密度和表面积会增加流体（通常是空气）在散热器上的流动阻力。强迫风冷的产品通常需要更高的散热能力，因此散热器的翅片密度通常比自然散热产品中的翅片密度要大。通过增加翅片的数量和紧密度，可以增加翅片与空气之间的接触面积，提高热量的传递效率。




自然散热产品中的稀疏齿散热器（左边）强迫风冷服务器中的细密齿散热器（右边）
对流换热的过程中，翅片的设计起着重要的作用。散热器的翅片通常采用薄且高表面积的设计，以增加与周围空气的接触面积，从而提高热量的传递效率。同时，通过改变翅片的形状和间距，可以调节空气流动的速度和方向，进一步影响换热效果。




来源：网络
3、辐射换热
当涉及到使用自然散热的电子产品时，辐射换热是一种重要的热传递机制。一旦散热器的几何结构设计已经完成，表面处理方式将对换热效果产生显著影响。
在电子产品中，通常会产生大量的热量，这些热量需要及时散发以保持设备的正常工作温度。辐射换热是通过热辐射的方式将热量传递到周围环境中。对于电子产品而言，主要的热辐射波长是位于红外线范围内。
辐射换热的强度与产品表面的辐射率成正比。辐射率是表征物体对热辐射吸收和发射能力的参数。对于电子产品的设计，选择合适的表面处理方式可以提高辐射换热效果。例如，采用具有较高辐射率的表面涂层或材料，能够增强辐射换热过程，提高散热效率。


表面涂层或材料的辐射率
对于暴露在阳光下的户外电子产品，还需要考虑太阳辐射对散热的影响。太阳光中包含可见光和红外线辐射。设备表面与太阳之间的辐射换热强度与设备的可见光辐射率成正比。因此，在户外产品的设计中，选择具有较高可见光辐射率的表面处理方式可以提高与太阳之间的辐射换热效果，有助于控制设备的工作温度。




室内产品表面发黑处理，强化红外辐射（左边）室外产品表面喷涂浅色涂料，降低可见光吸收率（右边）

总之，辐射换热在使用自然散热的电子产品中起着重要作用。通过优化散热器的表面处理方式，选择适当的材料和涂层，可以提高辐射换热效率，确保设备在正常工作温度范围内稳定运行。

4、小结
散热器的主要优化思路可以总结为以下三点：

提高对流换热效率：对流换热是散热器中最主要的热传递方式，通过增加散热器的表面积、优化散热器的几何结构、增加风扇或风道等方式可以增强对流换热效果。此外，确保散热器周围的空气流动畅通，避免堵塞或阻碍空气流动的因素，也能提高对流换热效率。

优化辐射换热效果：辐射换热在特定条件下起到补充或辅助的作用。通过选择具有较高辐射率的材料、表面涂层或处理方式，可以增强辐射换热效果。对于暴露在阳光下的户外产品，选择具有较高可见光辐射率的表面处理方式，有助于提高与太阳之间的辐射换热效果。

热导优化：热导是指热量在散热器内部的传导能力。通过选择具有较高热导率的材料，例如铜或铝，可以提高散热器内部的热导效率。此外，优化散热器的结构设计，使热量能够有效传导到散热器的表面，也能提高热导效果。

通过综合应用上述方法和技术，可以有效地优化散热器的热传导，降低扩散热阻，提高散热器的热传递效率。在具体的设计过程中，可以借助数值模拟、实验测试和理论分析等方法进行评估和优化，以确保散热器的性能满足设计要求。这些设计思路可以通过理论计算和仿真模拟进行评估和优化，以提高散热器的热传导效率和散热性能。 泊松比